Phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran bằng con đường tổng hợp đa thành phần
từ dẫn xuất của benzaldehid, malononitril và acetoacetate etil với xúc tác Hóa học xanh
K2CO3/ MMT K−10 là một phương pháp dễ thực hiện và mang lại hiệu quả khả quan với
hiệu suất tương đối khá cao.
86 trang |
Chia sẻ: toanphat99 | Lượt xem: 1955 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Tổng hợp dẫn xuất 4Hpiran dùng xúc tác K2CO3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite K-10, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
áp nến, màu trắng, xám, vàng nhạt, nâu,
nâu đỏ, có thể màu xám xanh hoặc xanh lụckhi sờ cảm thấy nhờn và trơn.
Tỷ trọng MMT trong khoảng 2.2 – 2.6, độ cứng Mohs tương đối khoảng 1.5. Tốc
độ lắng đọng thấp, thường có hiện tượng kết bông khi gặp môi trường kiềm, có độ pH
cao hoặc khi thay đổi môi trường nhanh chóng.
MMT có diện tích bề mặt lớn, diện tích lớp cao, kích thước hạt rất mịn, độ dẻo cao
và có tính thấm ướt thấp.
1.5.3.2 Tính chất hóa học
1.5.3.2.1 Tính trao đổi ion[10,15]
4
3 3
4 5
4 10 3 10( )[ ] [ ]
Si
Al FeSi O AlSi O
+
+ +
−− −
+
→
Nguyên nhân tạo ra khả năng này là sự thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ (Fe3+)
trong mạng tứ diện và Al3+ bởi Mg2+ (Fe2+) trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích
âm trong cơ cấu. Điện tích âm đó được trung hòa bởi các cation trao đổi giữa các lớp,
thông thường là các cation kiềm: K+, Na+ và kiềm thổ: Ca2+, Ba2+ Chính các điện
tích sinh ra này làm thay đổi lực hút tĩnh điện giữa các lớp và ảnh hưởng nhiều đến khả
năng xúc tác của MMT. Bằng cách thay thế các cation giữa các lớp bằng các cation khác
có thể tạo ra nhiều loại MMT khác nhau có tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity, CEC) của MMT thay đổi
trong một khoảng rộng từ 80–140 meq/100 g. Khả năng trao đổi ion còn phụ thuộc vào
hóa trị và bán kính của các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các
cation có hóa trị lớn theo thứ tự M+ > M2+ > M3+. Với các cation có cùng hóa trị, bán kính
càng nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn theo thứ tự Li+> Na+> K+> Mg2+> Ca2+>
Fe2+> Al3+.
1.5.3.2.2 Hấp phụ[16]
Tính chất hấp phụ của MMT được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cơ cấu lớp
của chúng. Do MMT có cơ cấu tinh thể và độ phân tán cao nên có cơ cấu xốp phức tạp và
bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của MMT gồm diện tích bề mặt ngoài và diện tích bề
mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa
các lớp trong cơ cấu tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt.
Sự hấp phụ bề mặt trong của MMT có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô
cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có
kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao
đổi nằm ở lớp xen giữa (interlayer) hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước.
Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết
hợp trực tiếp vào vị trí oxigen đáy (Ob) của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực
Van Der Waals hoặc nối hidrogen.
Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polymer và đặc biệt là vi khuẩn
chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của MMT.
1.5.3.2.3 Tính trương nở[17]
Sự trương nở (swelling capacity) của MMT có thể xảy ra do sự hấp phụ nước hoặc
dung môi hữu cơ phân cực vào giữa các tinh thể hoặc giữa các lớp trong tinh thể, hoặc
tiếp xúc trực tiếp với môi trường có áp suất hơi của chất lỏng cao, thậm chí có thể do sự
thay thế cation nhỏ ở lớp xen giữa bằng các cation hữu cơ lớn hơn. Mỗi dạng trương nở
khác nhau sẽ có những quá trình khác nhau và chịu sự điều khiển bởi các yếu tố khác
nhau.
1.5.3.2.4 Khả năng xúc tác của MMT K-10[18]
MMT có tính chất cơ bản có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ đó là độ
acid cao. Nó có thể được xem là acid Lewis do sự thay thế đồng hình các ion Si4+ bằng
ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở bát diện làm bề mặt của MMT
mang điện tích âm. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện
tích âm của chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm acid Lewis được tạo
thành từ ion Al3+ và ion Mg2+. Trên bề mặt MMT tồn tại các nhóm hidroxil có khả năng
nhường proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm acid Brönsted.
Đặc tính của MMT K−10 [19]
Là dạng bột mịn, màu trắng, không độc, pH 2.5−3.5, diện tích bề mặt BET khoảng
250 m2.g-1, tỉ khối 300−370 kg.m-3.
Với những ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, không gây ăn mòn, có thể tái sử
dụng, thân thiện với môi trường và dễ xử lý, trong vài năm gần đây, xúc tác có nguồn gốc
từ đất sét, đặc biệt là MMT, nhận được nhiều sự quan tâm trong tổng hợp hữu cơ. Điển
hình là sét MMT K−10, một sản phẩm thương mại hóa, được nghiên cứu rộng rãi và trở
thành một xúc tác hữu ích cho nhiều loại phản ứng.
Chương 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Hóa chất và thiết bị
2.1.1 Hóa chất
• Acetoacetat etil (Merck)
• Benzaldehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Clorobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• p-Tolualdehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Nitrobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Bromobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Florobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• Malononitril (propane-1,3-dinitril, Sigma-Aldrich)
• Etanol (Chemson)
• Kali cacbonat (Trung Quốc)
• MMT K−10 (Fluka)
2.1.2 Thiết bị
• Cân điện tử Sartotius
• Tủ sấy
• Máy khuấy từ điều nhiệt IKARET
• Bếp điện
• Máy cô quay Heidolph
• Máy đo nhiệt độ nóng chảy Buchi
2.2 Điều chế xúc tác tẩm K2CO3 trên chất mang rắn Montmorillonite K-10
Hòa tan hoàn toàn 3,0 g kali cacbonat bởi 15 ml H2O trong cốc dung tích 50 ml.
Sau đó thêm 9,0 g montmorillonite K-10 từ từ vào dung dịch, khuấy trên máy khuấy từ
trong 15 phút ở nhiệt độ thường rồi cho vào bình cô quay. Cho bay hơi nước bằng cách
đem dung dịch cô quay ở nhiệt độ 70oC cho đến khi dung dịch khô cạn tạo thành chất
rắn. Sấy chất rắn lại trong 2h tại nhiệt độ 110oC và nghiền mịn thì thu được xúc tác
K2CO3/MMT K-10 theo tỉ lệ khối lượng là 1:3 (g).
2.3 Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran (4a-f)
Phương trình phản ứng:
CN
CN
CH3
EtO O
O+ +
O
R
CN
NH2
O
EtO
CH3
R
O
H
+ H2O
4a: R=C6H5, 4b: R= 4-
NO2C6H4
4c: R= 4-FC6H4, 4d: R= 4-ClC6H4
4e: R= 4-BrC6H4, 4f: R= 4-CH3C6H4
Sơ đồ 2.1: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran
Cách tiến hành:
Hòa tan 2 mmol arylaldehid (1a-f), 0,132 g malononitril (2 mmol), 0,260g
acetoacetate etil (2 mmol) và 0,1 g xúc tác K2CO3/MMT K-10 với 6 ml dung môi
EtOH:H2O=1:1 trong bình cầu 50 ml. Hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn trên bếp
khuấy từ điều nhiệt với nhiệt độ 55 (oC), thời gian 20 (phút). Sau đó để nguội hỗn hợp
phản ứng, lọc lấy chất rắn, rửa lại bằng EtOH:H2O=1:1. Chất rắn trên được hòa tan bởi
30 ml ethanol nóng, lọc lấy dung dịch và thu hồi xúc tác nằm trên phễu. Sản phẩm cuối
cùng được cho vào cốc 50 ml rồi kết tinh lại bằng ethanol.
Từ điều kiện thực hiện phản ứng ban đầu tiếp tục quá trình tối ưu hóa các điều
kiện phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran. Sau đó áp dụng các điều kiện tối ưu để tổng
hợp dẫn xuất 4H-piran.
2.4 Định danh sản phẩm
Sản phẩm cuối cùng được định danh bằng cách xác định nhiệt độ nóng chảy và
nghiên cứu cấu trúc thông qua phổ 1H-NMR và phổ 13C-NMR.
K2CO3/MMT K-10
Khuấy từ điều nhiệt
(1a-f) (2) (3) (4a-f)
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Quy trình tổng hợp dẫn xuất 4H-piran
3.1.1 Sơ đồ điều chế
Arylaldehid + Malononitril + Acetoacetat etil + xúc tác
K2CO3/MMT K-10 + dung môi EtOH:H2O
Để nguội hỗn hợp phản ứng rồi
lọc với EtOH:H2O
(1:1)
Xúc tác và sản phẩm Dung dịch
1. Làm khan.
2. Lọc thu hồi xúc
tác lấy dung dịch bằng
ethanol nóng.
3. Kết tinh lại bằng
ethanol.
Xúc tác Sản phẩm
Hiệu suất
Sấy sản phẩm
Sơ đồ 3.1: Sơ đồ điều chế sản phẩm
3.1.2 Quá trình tối ưu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [5]
Phương trình phản ứng:
CN
CN
CH3
EtO O
O+ +
O
R
CN
NH2
O
EtO
CH3
R
O
H
+ H2O
Cơ chế phản ứng [5-6]
Cơ chế phản ứng được nghiên cứu thực hiện qua 2 giai đoạn như sau:
• Giai đoạn 1: Malononitril tạo thành cacbanion ổn định thực hiện phản ứng ngưng
tụ với arylaldehid (1a-f) tạo thành hợp chất benzylidenemalononitril không no.
H
NC
NC H
K2CO3/K10
CH (CN)2 + H
+
(2)
Đa số cacbanion ổn định được tạo ra bởi sự dị li các liên kết. Thông thường các
liên kết C-H khá bền vững, khó có thể tự phân li như trên. Vì vậy, để tăng tốc độ sự dị li
người ta thường phải sử dụng xúc tác base. Ở bài này có sự kết hợp mới mẻ giữa K-10
tẩm muối kalicacbonat tạo thành một xúc tác mang tính bazơ và được đưa vào tìm hiểu
qua tổng hợp hữu cơ.
Tiếp theo, thực hiện phản ứng ngưng tụ Knovenagel giữa benzaldehid và cacbanion của
malononitril tạo thành hợp chất benzylidenemalononitril không no (A) và loại một phân
tử nước.
K2CO3/MMT K-10
Khuấy từ điều nhiệt
(1a) (2) (3) (4a)
R H
O
+
CN
CN
R - C - CH (CN)2
O
H
H
+ - H2OR - C - CH (CN)2
OH
H
R
NC
C = N
Giai đoạn 2:
Thực hiện phản ứng cộng Michael của cacbanion là hợp phần methylen của hợp
chất acetoacetate etil vào hợp chất không no (A) trên tạo thành hợp chất trung gian quan
trọng (B).
Sau đó hợp chất (B) thực hiện chuyển hóa nhóm chức cacbonyl và đóng vòng
trung gian ( C ) cho ra sản phẩm dẫn xuất 4H-piran cần tổng hợp.
Phản ứng dễ dàng xảy ra vì trong hợp chất β – diceton, nguyên tử hidro ở -CH2
nằm giữa 2 nhóm C=O của hợp chất acetoacetate etil rất linh động.
R
NC
C = N +
CH3
EtO O
O
C = N
O
R
CN
O
EtO
CH3
(1a-f)
(A)
(3)
C = N
O
R
CN
O
EtO
CH3
C = N
CH3
CN
RO
EtO
O
O
O
EtO
CH3
R
CN
NH O
O
EtO
CH3
R
CN
NH2
Điều kiện phản ứng ban đầu:
Tỉ lệ tác chất 1:2:3 = 2:2:2 (mmol), dung môi EtOH:H2O = 1:1 (6 ml), nhiệt độ 55
(oC), thời gian 20 (phút) và xúc tác K2CO3/MMT K-10 0,1 (g).
Từ điều kiện phản ứng ban đầu tôi tiến hành khảo sát tỉ lệ etanol:H2O, nhiệt độ tối
ưu của phản ứng, tiếp theo cố định nhiệt độ này rồi tiến hành thay đổi thời gian phản
ứng để tìm thời gian tối ưu của phản ứng. Tương tự, tiến hành khảo sát các yếu tố khác
của phản ứng như: tỉ lệ malononitril:benzaldehid, acetoacetat etil:benzaldehid,
benzaldehid: malononitril:acetoacetat etil và khối lượng xúc tác K2CO3/MMT K−10.
3.1.2.1 Tỉ lệ etanol:H2O
Khi thực hiện phản ứng không dung môi thì phản ứng không xảy ra. Do đó chúng
tôi tiến hành thêm vào dung môi etanol, tuy nhiên hiệu suất thu được khá thấp. Vì vậy
chúng tôi thay đổi hệ dung môi là etanol:H2O tỉ lệ 1:1 (ml) [5]. Sau đó tiến hành khảo sát
thay đổi tỉ lệ etanol:H2O cũng như lượng dung môi được thêm vào. Kết quả được trình
bày trong Bảng 3.1.
(B)
(4a-f) (C)
Bảng 3. 1: Khảo sát thay đổi tỉ lệ etanol:H2O
Khi thay đổi hệ dung môi etanol:H2O thì tỉ lệ etanol:H2O (1:1) và lượng dung môi
được thêm vào là 6 ml cho hiệu suất tốt nhất (thí nghiệm 5), thêm nhiều dung môi hơn
không ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng (thí nghiệm 7).
3.1.2.2
Để khảo sát nhiệt độ tối ưu của phản ứng, tiến hành cố định thời gian phản ứng là
20 phút, khối lượng xúc tác K2CO3/MMT K−10 là 0,1 g, tỉ lệ benzaledhid
malononitril:acetoacetat etil lần lượt là 2:2:2 (mmol).
Bảng 3.2: Kết quả tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng
STT Nhiệt độ (oC) Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%)
1 45 0,400 70
2 50 0,405 71
3 55 0,42 74
4 60 0,409 72
5 65 0,386 68
STT Dung môi
Thể tích
(ml)
Hiệu suất
(%)
1 Etanol 6 18
2 H2O 6 33
3 Etanol/H2O (1:2) 6 52
4 Etanol/H2O (2:1) 6 63
5 Etanol/H2O (1:1) 6 68
6 Etanol/H2O (1:1) 3 63
7 Etanol/H2O (1:1) 9 66
Nhiệt độ phản ứng
Đồ thị 3.1: Đồ thị biểu diễn kết quả tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng
Từ đồ thị 3.1 và bảng 3.2 cho thấy phản ứng tại nhiệt độ 45oC bắt đầu tăng dần và
đạt hiệu suất cao nhất tại 55 oC ( thí nghiệm 3, 74 %) sau đó giảm dần theo chiều tăng
nhiệt độ. Vì khi tăng nhiệt độ lên càng cao thì sản phẩm trung gian còn lại càng ít, do
dung môi đã bắt đầu bay hơi.
3.1.2.3 Thời gian phản ứng
Sau khi chọn nhiệt độ tối ưu của phản ứng là 55 oC, cố định khối lượng xúc tác và
tỉ lệ benzaledhid:malononitril:acetoacetat etil để khảo sát thời gian phản ứng từ 10 -60
phút.
STT
Thời gian phản
ứng (phút)
Khối lượng sản phẩm
(g)
Hiệu suất
(%)
1 10 0,367 65
2 15 0,383 67
3 20 0,420 74
4 30 0,385 68
5 60 0,340 60
H
iệ
u
su
ất
th
ự
c
tế
(%
)
Nhiệt độ
(
o
C)
Bảng 3.3: Kết quả tối ưu hóa thời gian phản ứng
Đồ thị 3.2: Đồ thị biểu diễn kết quả tối ưu hóa thời gian
Từ đồ thị 3.2 và bảng 3.3 cho thấy tăng thời gian từ 10 phút đến 20 phút thì hiệu
suất tăng nhanh đáng kể và đạt hiệu suất cao nhất với thời gian phản ứng là 20 phút (thí
nghiêm 3), sau đó giảm nhanh theo chiều tăng thời gian phản ứng. Từ đồ thị cho thấy thời
gian phản ứng ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng tạo thành sản phẩm.
3.1.2.4 Tỉ lệ benzaldehid:malononitril
Từ kết quả nghiên cứu tài liệu tham khảo cơ chế phản ứng cho thấy, việc thay đổi
tỉ lệ acetoacetate etil:benzaldehid không phải là phương thức hiệu quả để cải thiện hiệu
suất phản ứng. Do đó, tôi tiếp tục cố định nhiệt độ 55oC, thời gian 20 phút, khối lượng
acetoacetate etil 0,26 g (2 mmol), khối lượng xúc tác 0,1 g, thay đổi tỉ lệ
benzaldehid:malononitril (mmol) để tìm tỉ lệ tối ưu giữa hai lượng tác chất này.
Thời gian (phút)
H
iê
ụ
su
ất
t
hự
c
tế
(
%
)
STT Tỉ lệ (2):(1a)
(mmol:mmol)
Khối lượng sản phẩm
(g)
Hiệu suất
(%)
1 2:2 0,42 74
2 3:2 0,31 55
3 4:2 0,40 70
4 5:2 0,34 60
Từ kết quả bảng 3.4 cho thấy, khi tăng lượng malononitril thì hiệu suất của phản
ứng giảm, nên tôi chọn tỉ lệ tốt nhất là 2 mmol ( thí nghiệm 1). Mặc dù tỉ lệ 4:2 có tăng
hơn so với tỉ lệ 3:2 nhưng sản phẩm sinh ra có chứa nhiều tạp chất và đặc biệt là bị nhiễu
màu nâu đỏ của dung dịch malononitril do lượng tác chất cho vào quá nhiều đồng thời
cũng do hỗn hợp phản ứng quá loãng làm khả năng xúc tác của K2CO3/MMT K−10 bị
giảm khi càng tăng tỉ lệ lên đến 5:2.
3.1.2.5 Tỉ lệ benzaldehid:acetoacetat etil
Sau khi chọn được tỉ lệ tối ưu giữa benzaldehid:mailononitril = 2:2 (mmol), tôi
tiếp tục cố định nhiệt độ 55 oC, thời gian 20 phút, khối lượng xúc tác 0,1 g, và thay đổi tỉ
lệ benzaldehid:acetoacetate etil (mmol) để tìm tỉ lệ tối ưu giữa hai lượng tác chất này.
Bảng 3.5: Kết quả tối ưu tỉ lệ acetoacetate etil:benzaldehid
Từ kết quả bảng 3.5 cho thấy, khi tăng lượng tác chất acetoaetat etil thì hiệu suất
của phản ứng giảm và cho hiệu suất cao nhất theo tỉ lệ 2 mmol ( thí nghiệm 1). Có thể lý
giải điều này là do khi lượng tác chất này quá nhiều sẽ làm hỗn hợp phản ứng quá loãng,
làm giảm khả năng xúc tác của nên khả năng phản ứng xảy ra giữa các tác chất theo cơ
STT
Tỉ lệ (3):(1a)
(mmol:mmol)
Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%)
1 2:2 0,420 74
2 3:2 0,350 62
3 4:2 0,270 48
Bảng 3.4: Kết quả tối ưu tỉ lệ malononitril:benzaldehid
chế đề ra khó có thể đạt hiệu suất cao [6].
3.1.2.6 Tỉ lệ benzaldehid:malononitril:acetoacetat etil
Sau khi chọn được các điều kiện tối ưu cho phản ứng: nhiệt độ 55 oC, thời gian 20
phút, tỉ lệ tác chất benzaledhid:malononitril và benzaldehid:acetoacetat etil như trên, tôi
tiếp tục tăng dần lượng tác chất benzaldehid để khảo sát sự thay đổi 3 lượng tác chất cho
vào phản ứng trên tìm tỉ lệ sử dụng tối ưu.
Bảng 3.6: Kết quả tối ưu tỉ lệ benzaldehid:malononitril:acetoacetate etil
STT
Tỉ lệ (1a):(2):(3)
(mmol)
Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%)
1 2:2:2 0,420 74
2 3:2:2 0,5427 93
3 4:2:2 0,447 79
4 5:2:2 0,255 40
Từ kết quả bảng 3.6 cho thấy, khi tăng tỉ lệ 2 mmol của chất (1) lên lượng 3 mmol
thì hiệu suất tăng đáng kể (93%) và tiếp tục tăng lượng tác chất benzaldehid thì hiệu suất
của phản ứng giảm. Kết quả cho hiệu suất tốt nhất theo tỉ lệ 3:2:2 (mmol) (thí nghiệm 1).
Có thể lý giải điều này là do khi lượng tác chất này quá nhiều sẽ làm hỗn hợp phản ứng
quá loãng, làm giảm khả năng xúc tác nên khả năng phản ứng xảy ra giữa các tác chất
theo cơ chế đề ra khó có thể đạt hiệu suất cao.
3.1.2.7 Khối lượng xúc tác
Sau khi chọn được các điều kiện tối ưu cho phản ứng: nhiệt độ 55 oC, thời gian 20
phút, tỉ lệ tác chất benzaledhid:malononitril:acetoacetat etil lần lượt là 3:2:2 (mmol), tôi
tiếp tục thay đổi lượng xúc tác sử dụng để tìm lượng xúc tác sử dụng tối ưu.
Bảng 3.7: Kết quả tối ưu khối lượng xúc tác
STT
Khối lượng
xúc tác (g)
Khối lượng
sản phẩm (g)
Hiệu suất
(%)
1 Không xúc tác 0 0
2 0,05 0,1 18
3 0,10 0,527 93
4 0,15 0,490 86
5 0,20 0,435 77
6 0,25 0,385 68
Từ bảng 3.7 và đồ thị 3.3 cho thấy khi không sử dụng xúc tác thì phản ứng chưa
xảy ra, nhưng khi tăng lượng xúc tác tăng từ 0,05 g đến 0,1 g thì hiệu suất tăng vượt trội (
từ 18% lên đến 93%, thí nghiệm 1,2) và sau đó hiệu suất giảm dần theo chiều tăng khối
lượng xúc tác. Điều này được giải thích là khi lượng xúc tác quá ít (0,05 g) thì không đủ
để xúc tác cho phản ứng nên hiệu suất thu được chỉ được 18% thấp hơn khoảng gấp hơn
5 lần so với khối lượng xúc tác tối ưu 0,1 g đạt hiệu suất tối đa 93%. Sau đó tiếp tục tăng
khối lượng xúc tác từ 0,15 g-0,25 g thì sau phản ứng sản phẩm trung gian sẽ còn lại trong
hỗn hợp rất nhiều. Lí do là khi có quá nhiều xúc tác sẽ làm hỗn hợp phản ứng quá đặc sệt,
Khối lượng xúc tác (g)
H
iệ
u
su
ất
t
hự
c
tế
(
%
)
Đồ thị 3.3: Đồ thị biểu diễn kết quả tối ưu khối lượng xúc tác
làm giảm khả năng kết hợp giữa các phân tử tác chất cũng như giảm khả năng tạo thành
sản phẩm chính của. Dẫn đến làm giảm hiệu suất của phản ứng. Từ đó cho ta thấy tầm
ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng một cách rõ rệt. Với lượng xúc tác phù
hợp thì tốc độ phản ứng xảy ra hoàn toàn nhanh và đạt hiệu suất cao hơn rất nhiều so với
việc không sử dụng xúc tác hay sử dụng một lượng không phù hợp.
Qua quá trình tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp dẫn xuất
4H-piran được thực hiện trong điều kiện phản ứng như sau:
• Tỉ lệ mol tác chất: ( 1a):2:3 = 3:2:2 (mmol)
• Dung môi EtOH:H2O = 1:1 (6ml)
• Nhiệt độ: 55 (oC)
• Thời gian: 20 (phút)
• Khối lượng xúc tác K2CO3/MMT K-10: 0,1 (g)
3.1.3 So sánh khi sử dụng các xúc tác khác
Sau khi tối ưu hóa phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran, chúng tôi so sánh khi
tiến hành phản ứng bằng xúc tác K2CO3, montmorillonite K-10 và các xúc tác khác. Kết
quả được trình bày trong bảng 3.8.
Bảng 3.8: So sánh khi sử dụng các xúc tác khác
Xúc tác Dung môi Thời gian (phút)
Nhiệt độ
(oC)
Hiệu suất
(%)
Montmorillonite K10 Etanol/H2O (1:1) 20 55 0
K2CO3 Etanol/H2O (1:1) 20 55 77
K2CO3/K10 Etanol/H2O (1:1) 20 55 93
MgO [6] Metanol 300 Hoàn lưu 67
KF/Al2O3 [7] Metanol 300 Hoàn lưu 74
Mg-Al (hidrotalcite) [7] Metanol 180 Hoàn lưu 82
Hỗn hợp oxid Mg/La [7] Metanol 60 Hoàn lưu 92
Kết quả từ bảng 3.8 cho thấy khi có xúc tác MMT K-10 thì không xảy ra phản ứng
so với phản ứng có xúc tác K2CO3 và xúc tác K2CO3/MMT K-10 bởi vì phản ứng cần có
xúc tác mang tính base tương đối phù hợp để phản ứng được thuận lợi diễn ra mang lại
hiệu suất cao.
Nhưng khi sử dụng xúc tác base K2CO3 cho kết quả thấp hơn nhiều khi được tẩm
trên chất mang rắn là montmorillonte K-10 do montmorillonite K-10 có diện tích bề mặt
riêng lớn nên khi tẩm K2CO3 lên bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc với các tác chất tham
gia phản ứng. So với các xúc tác baz dị thể khác như MgO, KF/Al2O3 và hidrotalcite thì
hiệu quả xúc tác của K2CO3 tẩm trên montmorillonite K-10 tốt hơn và thời gian phản
ứng cũng được rút ngắn hơn.
3.1.4 Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran
Phương trình tổng hợp
CN
CN
CH3
EtO O
O+ +
O
R
CN
NH2
O
EtO
CH3
R
O
H
+ H2O
Sơ đồ 3.2: Phương trình tổng hợp dẫn xuất 4H-piran
Bảng 3.9: Kết quả tổng hợp các dẫn xuất
O
CN
NH2
O
EtO
CH3
R
K2CO3/MMT K-10
Khuấy từ điều nhiệt
(4a-f)
(1a-f) (2) (3) (4a-f)
STT R
Công thức cấu tạo
của sản phẩm
Màu
sắc
Mp (oC) Hiệu
suất
(%)
Phụ
lục TLTK
Thực
nghiệm
1 C6H5
O
CN
NH2
O
EtO
CH3
(4a)
Tinh
thể,
màu
trắng
190-191.5[5] 192-193 94
Phụ
lục 1
2
4-
NO2C6H4
O
CN
NH2
O
EtO
CH3
NO2
(4b)
Tinh
thể,
màu
vàng
178-180 [2] 176-178 69
Phụ
lục 2
3 4-FC6H4
O
CN
NH2
O
EtO
CH3
F
(4c)
Tinh
thể
,màu
trắng
170-172 173-175 88
Phụ
lục 3
4 4-ClC6H4
O NH2
CN
CH3
O
EtO
Cl
(4d)
Tinh
thể,
màu
trắng
175-177 177-179 91
Phụ
lục 4
Từ bảng 3.9 cho thấy các dẫn xuất có chứa nhóm rút electron (-NO2, -F, -Cl, -Br)
cho hiệu suất cao hơn nhiều so với các nhóm đẩy electron (-CH3, OH) tại vị trí para.
Cụ thể là trong đó nhóm halogen cho hiệu suất tương đối cao hơn nhóm nitro.
Điều này được giải thích là do nhóm -NO2 mang cộng hưởng -R và có hiện tượng
cộng hưởng giữa nhóm nitro và vòng thơm nên chắc sẽ xảy ra sự cạnh tranh tại các vị trí
ortho, meta và para tạo thành nhiều sản phẩm phụ nên hiệu suất sản phẩm (4b) không cao
bằng các nhóm halogen. Trong khi đó nhóm halogen –F, -Cl, -Br mang cộng hưởng +R
nhưng chúng đều lại gây hiệu ứng cảm –I nên trong giai đoạn 1 của cơ chế phản ứng,
những nhóm này có khả năng rút electron mạnh làm cho mật độ electron của aldehid linh
động hơn thuận lợi cho cacbanion của malononitril dễ dàng tấn công tạo thành hợp chất
trung gian quan trọng benzylidenmalononitril không no A điều kiện cần cho tổng hợp
hữu cơ với hiệu suất tương đối cao. Trong khi đó các nhóm metyl mang cộng hưởng +R
và gây hiệu ứng +I nên cho phản ứng theo xu hướng ngược lại.
5 4-BrC6H4
O
CN
NH2
O
EtO
CH3
Br
(4e)
Tinh
thể,
màu
trắng
180-181[5] 180-182 67
Phụ
lục 5
6
4-
CH3C6H4
(4f)
Tinh
thể,
màu
trắng
177-179 [6] 180-181 75
Phụ
lục 6
O
CN
NH2
O
EtO
CH3
CH3
3.1.5 Định danh sản phẩm
3.1.5.1 Phổ 1H-NMR
Hình 3.1: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4a)
Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4a) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng
hưởng từ proton của (4a) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4a) đã tổng hợp thành
công.
Quan sát trên phổ 1H-NMR cho thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 16
proton được tách thành các tín hiệu với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 3: 2 phù hợp
với cấu trúc dự đoán của (4a).
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
1 2
3 4
5
7
8
9
10 6
Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3
và độ dịch chuyển hóa học δ=1,082 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton
của H1 thuộc nhóm etyl của ester.
Tín hiệu singlet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học
δ=2,340 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường
độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,386 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng
piran.
Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multiplet với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển
hóa học bằng δ=3,976-4,039 ppm và hệ số tách J=7 được quy kết cho 2 proton tương
đương H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử
oxigen có độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm
chắn mạnh nên dịch chuyển về trường yếu hơn.
Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch
chuyển δ=6,152 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin.
Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,184-
7,312 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó tín hiệu
multi với cường độ tương đối bằng 2 và có độ dịch chuyển hóa học δ=7,282-7,312 ppm
được quy kết cho 2 proton H6, 10. Tín hiệu multiplet với cường độ bằng 3 và có độ
chuyển dịch hóa học δ =7,184-7,222 ppm được quy kết cho 3 proton H7, 8, 9. Do hai
proton ở H6 và H10 chịu sự ảnh hưởng của 2 nhóm -COO- và -CN mang cộng hưởng -R,
nên làm mật độ electron 2 proton này giảm nên tín hiệu proton H6 và H10 dịch chuyển về
trường yếu hơn so với 3 proton H7, H8 và H9 còn lại trên vòng benzene.
Bảng 3.10 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4a)
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
1 2
3 4
5
7
8
9
10 6
Các proton
ở vị trí
Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[21][δ (ppm), J(Hz)]
1
1.082
(t, 3H, J=7)
1,10
(t, 3H, J=7,1)
2
3,976-4,039
(m, 2H, J=7)
4,0
(q, 2H, J=6,6)
3
2,340
(s, 3H)
-
4
6,152
(s, 2H)
6,1
(s, 2H)
5
4,386
(s, 1H)
4,4
(s, 1H)
6,10
7,282-7,312
(m, 2H)
7,30-7,35
(m, 2H)
7,8,9
7,184-7,222
(m, 3H)
7,18-7,23
(m, 3H)
3.1.5.2 Phổ 13C-NMR
Hình 3.2: Phổ 13C-NMR của hợp chất (4a)
Quan sát trên phổ 13C của hợp chất (4a) cho thấy xuất hiện đầy đủ các mũi cacbon
13C phù hợp với cấu trúc dự đoán của hợp chất (4a).
Tại vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=14,19 ppm
được quy kết cho cacbon C1 thuộc nhóm etyl của ester. Còn tín hiệu có độ chuyển dịch
hóa học δ=18,45 ppm được quy kết cho cacbon C6. Do C6 liên kết trực tiếp với C5 ở
trạng thái lai hóa sp2 và gắn trực tiếp với nguyên tử oxy có độ âm điện mạnh trong khi đó
cacbon C1 gắn trực tiếp với nhóm -CH2- ở trạng thái lai hóa sp3 làm C6 dịch chuyển về
trường yếu C1 hơn nên độ dịch chuyển hóa học của cacbon C6 lớn hơn độ dịch chuyển
hóa học của cacbon C1.
O
CN
NH2
O
CH3
H3C - H2C - O
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=40,11 ppm được quy kết cho cacbon C10.
Tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=60,53 ppm được quy kết cho cacbon C2. Do C2
gắn trực tiếp vào nguyên tử oxigen có độ âm điện lớn và hiệu ứng rút electron xảy ra
ngang qua chỉ một nối đơn C-O nên trong phổ 13C-NMR khoảng dịch chuyển này khá
lớn.
Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=61,03 ppm được quy kết cho cacbon C8.
Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=108,59 ppm được quy kết cho cacbon C4. Tín hiệu
có độ chuyển dịch hóa học δ=119,63 ppm đặc trưng được quy kết cho cacbon C9 của
nhóm nitril.
Các cacbon trong vòng benzene được chịu ảnh hưởng nhẹ của hai nhóm mang
cộng hưởng –R làm giảm hiệu ứng chắn electron trong đó cacbon C11 bị giảm hiệu ứng
chắn nhiều nhất, tiếp theo là cacbon C12, C16 rồi cacbon C13, C15 và chịu ảnh hưởng ít
nhất là cacbon C14. Do đó các cacbon của vòng benzene được quy kết tương ứng với độ
dịch chuyển hóa học như sau:
Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=127,72 ppm được quy kết cho cacbon C14.
Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=128,36 ppm được quy kết cho cacbon C13, C15.
Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=129,23 ppm được quy kết cho cacbon C12, C16.
Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=145,84 ppm được quy kết cho cacbon C11.
Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 157,64-159,48 ppm được quy kết cho cacbon
C5, C7. Ngoài ra trên phổ còn xuất hiện tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=166,49
ppm đặc trưng được quy kết cho cacbon C3 của nhóm cacbonyl. Cacbon cacbonil C=O
có độ dịch chuyển hóa học rất lớn vì cacbon này ở trạng thái tạp chủng sp2 và vì C gắn
trực tiếp vào nguyên tử oxi có độ âm điện mạnh.
Bảng 3.11 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 13C-NMR của hợp chất (4a)
Các cacbon
ở vị trí
Tín hiệu δ (ppm) TLTK[5]
1 14,19 13,86
2 60.53 60,64
3 166,49 165,83
4 108,59 108,00
5,7 157,64-159,48 156,76-157,39
6 18,45 18,37
8 61,03 62,58
9 119,63 118.80
10 40,11 38,75
11 145,84 143,72
12,16 129,23 128,56
13,15 128,36 127,50
14 127,72 127,17
Hình 3.3: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4b)
Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4b) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng
hưởng từ proton của (4b) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4b) đã tổng hợp thành
công.
So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4b) được thay thế bởi nhóm nitro (-NO2) vào
proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4b) cho
thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu
với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 và tất cả tín hiệu pronton đều dịch chuyển
trong vùng trường thấp hơn so với hợp chất (4a) phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4b).
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
NO2
1 2
3 4
5
78
9 6
Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3
và độ dịch chuyển hóa học δ=1,095 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton
của H1 thuộc nhóm etyl của ester.
Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học
δ=2,396 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường
độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,573 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng
piran.
Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu mũi bốn bị chẻ đôi với cường độ bằng 2, có độ
dịch chuyển hóa học bằng δ=4,002-4,064 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương
H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm -CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có
độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh
nên dịch chuyển về trường yếu hơn và trong không gian, proton H2 sẽ ghép với proton
của nhóm ester nên tại tín hiệu proton H3 xuất hiện mũi đôi còn tín hiệu proton H2 xuất
hiện mũi bốn bị chẻ đôi một lần nữa.
Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch
chuyển δ=6,259 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin.
Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,513-
8,218 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện
tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=7,513-
7,536 ppm và hệ số tách J=9 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet với
cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =8,190-8,218 ppm và hệ số tách J=9 Hz
được quy kết cho 2 proton H7, 8. Do hiệu ứng –I, -R của nhóm –NO2 ở vị trí para làm
cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ cho tín hiệu ở trường yếu hơn proton
H6 và H9.
Bảng 3.12: Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4b)
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
NO2
1 2
3 4
5
78
9 6
Các proton
ở vị trí
Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK [δ (ppm), J(Hz)]
1
1.095
(t, 3H, J=7)
1,01
(t, 3H, J=7)
2
4,002-4,064
(m, 2H)
3,97
(q, 2H, J=7)
3
2,396
(d, 3H)
2,38
(s, 3H)
4
6,259
(s, 2H)
6,86
(s, 2H)
5
4,573
(s, 1H)
4,47
(s, 1H)
6,9
7,513-7,536
(d, 2H, J=9)
7,42
(d, 2H, J=8,8)
7,8
8,190-8,218
(d, 2H, J=9)
8,16
(d, 2H, J=8,8)
Hình 3.4: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4c)
Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4c) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng
hưởng từ proton của (4c) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4b) đã tổng hợp thành
công.
So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4c) được thay thế bởi nhóm flour (-F) vào
proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4c) cho
thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu
với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4c).
Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3
và độ dịch chuyển hóa học δ=1,104 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton
của H1 thuộc nhóm etyl của ester.
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
F
1 2
3 4
5
78
9 6
Tín hiệu singlet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học
δ=2,346 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường
độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,415 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng
piran.
Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa
học bằng δ=4,031 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm etyl của
ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện tương đối
lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch chuyển về
trường yếu hơn. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và
độ dịch chuyển δ=6,111 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin.
Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,046-
7,276 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện
tín hiệu triplet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=7,046-7,082
ppm và hệ số tách J=9 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet-doublet với
cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =7,248-7,276 ppm được quy kết cho 2
proton H7, 8. Do hiệu ứng cảm –I của nhóm –F ở vị trí para và là nguyên tố có độ âm
điện mạnh nhất làm cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ cho tín hiệu ở
trường yếu hơn proton H6 và H9.
Bảng 3.13 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4c)
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
F
1 2
3 4
5
78
9 6
Các proton
ở vị trí
Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[2][δ (ppm), J(Hz)]
1
1.104
(t, 3H, J=7)
1,11
(t, 3H, J=7)
2
4,031
(m, 2H)
4,05
(q, 2H, J=7)
3
2,346
(s, 3H)
2,35
(s, 3H)
4
6,111
(s, 2H)
5,89
(s, 2H)
5
4,415
(s, 1H)
4,39
(s, 1H)
6,9
7,046-7,082
(t, 2H, J=9) 6,92-7,21
(4H)
7,8
7,248-7,276
(dd, 2H)
Hình 3.5: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4d)
Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4d) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng
hưởng từ proton của (4d) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4d) đã tổng hợp thành
công.
So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4d) được thay thế bởi nhóm cloro (-Cl) vào
proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4d) cho
thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu
với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4d).
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
Cl
1 2
3 4
5
78
9 6
Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3
và độ dịch chuyển hóa học δ=0,584 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton
của H1 thuộc nhóm etyl của ester.
Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học
δ=1,860 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu doublet với cường
độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=3,861 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng
piran.
Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa
học bằng δ=3,481-3,541 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm
etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện
tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch
chuyển về trường yếu hơn. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ
bằng 2 và độ dịch chuyển δ=6,496 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin.
Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=6,707-
6,933 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện
tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=6,707-
6,734 ppm và hệ số tách J=8,5 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet với
cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =6,905-6,933 ppm và hệ số tách J=8,5
Hz được quy kết cho 2 proton H7, 8. Do hiệu ứng cảm –I của nhóm -Cl ở vị trí para và là
nguyên tố có độ âm điện mạnh làm cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ
cho tín hiệu ở trường yếu hơn proton H6 và H9.
Bảng 3.14 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4d)
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
Cl
1 2
3 4
5
78
9 6
Các proton
ở vị trí
Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[6] [δ (ppm), J(Hz)]
1
0,584
(t, 3H, J=7)
1,12
(t, 3H, J=7,16)
2
3,481-3,541
(m, 2H)
4,06-4,00
(m, 2H)
3
1,860
(d, 3H)
2,36
(s, 3H)
4
6,496
(s, 2H)
5,93
(s, 2H)
5
3,861
(d, 1H)
4,38
(s, 1H)
6,9
6,707-6,734
(d, 2H, J=8,5)
7,15
(d, 2H, J=8)
7,8
6,905-6,933
(d, 2H, J=8,5)
7,25
(d, 2H, J=8)
Hình 3.6: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4e)
Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4e) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng
hưởng từ proton của (4e) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4e) đã tổng hợp thành
công.
So với hợp chất (4e) thì hợp chất (4e) được thay thế bởi nhóm bromo (-Br) vào
proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4e) cho
thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu
với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4e).
Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3
và độ dịch chuyển hóa học δ=1,109 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton
của H1 thuộc nhóm etyl của ester.
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
Br
1 2
3 4
5
78
9 6
Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học
δ=2,353 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường
độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,405 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng
piran.
Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa
học bằng δ=4,008-4,068 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm
etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện
tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch
chuyển về trường yếu hơn. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ
bằng 2 và độ dịch chuyển δ=128 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin.
Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,181-
7,501 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện
tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=7,181-
7,208 ppm và hệ số tách J=8,5 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet với
cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =7,474-7,501 ppm và hệ số tách J=8,5 Hz
được quy kết cho 2 proton H7, 8. Do hiệu ứng cảm –I của nhóm -Br ở vị trí para và là
nguyên tố có độ âm điện mạnh làm cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ
cho tín hiệu ở trường yếu hơn proton H6 và H9.
Bảng3.15 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4e)
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
Br
1 2
3 4
5
78
9 6
Các proton
ở vị trí
Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[5] [δ (ppm), J(Hz)]
1
1,109
(t, 3H, J=7)
1,11
(t, 3H, J=6,9)
2
4,008-4,068
(m, 2H)
4,03
(q, 2H, J=6,9)
3
2,353
(d, 3H)
2,35
(s, 3H)
4
6,128
(s, 2H)
4,66
(s, 2H)
5
4,405
(d, 1H)
4,40
(s, 1H)
6,9
7,181-7,208
(d, 2H, J=8,5)
7,08
(d, 2H, J=8,4)
7,8
7,474-7,501
(d, 2H, J=8,5)
7,42
(d, 2H, J=8,4)
Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4f)
Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4f) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng
hưởng từ proton của (4f) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4f) đã tổng hợp thành
công.
So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4f) được thay thế bởi nhóm metyl (-CH3) vào
proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4f) cho
thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 18 proton được tách thành các tín hiệu
với cường độ tương đối 3:3:3:2:1:2:4 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4f).
Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3
và độ dịch chuyển hóa học δ=1,089 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton
của H1 thuộc nhóm etyl của ester.
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
CH3
1 2
3 4
5
7
8
9
10 6
Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học
δ=2,310 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm etyl của ester. Tín hiệu singlet với
cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=2,249 ppm được quy kết cho
proton H8 thuộc nhóm metyl gắn trực tiếp vào vòng thơm. Tín hiệu doublet với cường độ
bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,329 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng
piran.
Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu mũi bốn bị chẻ đôi với cường độ bằng 2, có độ
dịch chuyển hóa học bằng δ=3,970-4,032 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương
H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có
độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh
nên dịch chuyển về trường yếu hơn và trong không gian, proton H2 sẽ ghép với proton
của nhóm ester nên tại tín hiệu proton H3 xuất hiện mũi đôi còn tín hiệu proton H2 xuất
hiện mũi bốn bị chẻ đôi một lần nữa.
Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch
chuyển δ=6,217 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin.
Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,061-
7,100 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho 4 proton H6,7,9,10 của vòng thơm.
Bảng3.16: Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4f)
O
CN
NH2
O
H3C - H2C - O
CH3
CH3
1 2
3 4
5
7
8
9
10 6
Các proton
ở vị trí
Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK [5][δ (ppm), J(Hz)]
1
1.089
(t, 3H, J=7)
1,27
(t, 3H, J=6,9)
2
3,970-4,032
(m, 2H)
4,03
(q, 2H, J=6,9)
3
2,310
(d, 3H)
2,31
(s, 3H)
4
6,217
(s, 2H)
4,54
(s, 2H)
5
4,329
(d, 1H)
4,41
(s, 1H)
8
2,249
(s, 3H)
2,36
(s, 3H)
6,7,9,10
7,061-7,100
(s, 4H)
7,09
(s, 4H)
Bảng 3.16: Tóm tắt các tín hiệu proton trên phổ 1H-NMR của các hợp chất dẫn xuất
H
Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)]
4a 4b 4c 4d 4e 4f
1
1,082
(t, 3H, J=7)
1,095
(t, 3H, J=7)
1,104
(t, 3H, J=7)
0,584
(t, 3H, J=7)
1,109
(t, 3H, J=7)
1,089
(t, 3H, J=7)
2
3,976-4,039
(m, 2H, J=7)
4,002-4,064
(m, 2H)
4,031
(m, 2H)
3,481-3,541
(m, 2H)
4,008-4,068
(m, 2H)
3,970-4,032
(m, 2H)
3
2,340
(s, 3H)
2,396
(d, 3H)
2,346
(s, 3H)
1,860
(d, 3H)
2,353
(d, 3H)
2,310
(d, 3H)
4
6,152
(s, 2H)
6,259
(s, 2H)
6,111
(s, 2H)
6,496
(s, 2H)
6,128
(s, 2H)
6,210
(s, 2H)
5
4,386
(s, 1H)
4,573
(s, 1H)
4,415
(s, 1H)
3,861
(d, 1H)
4,405
(d, 1H)
4,329
(s, 1H)
6,10
7,282-7,312
(m, 2H)
- - - - -
7,8,9
7,184-7,222
(m, 3H)
- - - - -
6,9 -
7,513-7,536
(d, 2H, J=9)
7,046-7,082
(t, 2H, J=9)
6,707-6,734
(d,2H,J=8,5)
7,181-7,208
(d, 2H, J=8,5)
-
7,8 -
8,190-8,218
(d, 2H, J=9)
7,248-7,276
(dd, 2H)
8,190-8,218
(d,2H,J=8,5)
7,474-7,501
(d, 2H,J=8,5)
-
8 - - - - -
2,249
(s, 3H)
6,7,9,
10
- - - - -
7,061-7,100
(s, 4H)
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
4.1 Kết luận
Phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran bằng con đường tổng hợp đa thành phần
từ dẫn xuất của benzaldehid, malononitril và acetoacetate etil với xúc tác Hóa học xanh
K2CO3/ MMT K−10 là một phương pháp dễ thực hiện và mang lại hiệu quả khả quan với
hiệu suất tương đối khá cao.
Những ưu điểm vượt trội của phương pháp này bao gồm:
Sử dụng lượng ít tác chất.
Xúc tác K2CO3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite K-10 là loại xúc rẻ tiền,
không độc hại, dễ xử lý.
Sử dụng dung môi phản ứng là hệ Etanol : H2O và dung môi kết tinh là ethanol phù
hợp với tính chất của sản phẩm và giảm thiểu tối đa lượng hao hụt của sản phẩm.
• Thời gian phản ứng ngắn nhiệt độ trung bình nhưng cho hiệu suất cao.
Từ những nghiên cứu, tham khảo tài liệu khoa học và qua quá trình tiến
hành thực nghiệm với những ưu điểm như trên tôi đã tối ưu hóa các yếu tố liên quan và
tổng hợp thành công 6 dẫn xuất 4H-piran phù hợp với các tài liệu khoa học tham
khảo như sau:
• Điều kiện tối ưu phản ứng:
Tỉ lệ mol tác chất: ( 1a-f):2:3 = 3:2:2(mmol)
Dung môi EtOH:H2O = 1:1, 6 ml
Nhiệt độ: 55 (oC)
Thời gian: 20 (phút)
Khối lượng xúc tác K2CO3/MMT K-10: 0,1 (g)
Bảng 4.1: Sáu dẫn xuất 4H-piran
STT Sản phẩm Kí hiệu
1
Ethyl 6 –amino–5–cyano–2–methyl-4-phenyl-4H-pyran-3-
carboxylate
4a
2
Ethyl 6 –amino–5–cyano–2–methyl-4–(4–nitrophenyl)– 4H-
pyran-3-carboxylate
4b
3
Ethyl 6 –amino–5–cyano -4–(4–fluorophenyl)-2–methyl-4H-
pyran-3-carboxylate
4c
4
Ethyl 6 –amino–4–(4–chlorophenyl)– 5–cyano–2–methyl-4H-
pyran-3-carboxylate
4d
5
Ethyl 6 –amino–4–(4–bromophenyl)– 5–cyano–2–methyl-4H-
pyran-3- carboxylate
4e
6
Ethyl 6 –amino–5–cyano–2–methyl-4–(4–methylphenyl)– 4H-
pyran-3-carboxylate
4f
Sau khi tổng hợp tôi đã tiến hành tìm hiểu tính chất vật lí (màu sắc, nhiệt độ nóng
chảy, trạng thái) và phân tích cấu trúc phổ phân tử bằng phổ 1H-NMR. Từ đó chúng tôi
khẳng định đã tổng hợp thành công 6 dẫn xuất trên phù hợp với công thức dự kiến.
4.2 Đề xuất
Vì thời gian có hạn nên đề tài của em chỉ dừng lại ở việc tổng hợp 6 dẫn xuất
của 4H-piran như trên. Vì thế những hướng mở của đề tài này là:
Tiếp tục tổng hợp nhiều dẫn xuất 4H-piran có hoạt tính khác được đtrưng
bởi những nhóm thế khác gắn trực tiếp trực tiếp vào vòng thơm Benzaldehid ở các vị trí
ortho, meta như là: nitro, floro, metyl, hydroxyl, methoxy
Tìm hiểu và đề xuất nguyên nhân gây giảm hiệu suất sản phẩm của nhóm
rút electron, đặc biệt là nhóm nitro (-NO2).
Tiến hành thăm dò hoạt tính sinh học của những dẫn xuất đã tổng hợp trên.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. A. Dömling, I. Ugi, Multicomponent reactions with isocyanides, Angew. Chem.
Int. Ed., 39, 3170 – 3172, (2000).
2. Arturo Sánchez, Fernando Hernández, Paulo César Cruz, Yolanda Alcaraz,
Joaquín Tamariz, Francisco Delgado, Miguel A. Vázquez, Infrared Irradiation-Assisted
Multicomponent Synthesis of 2-Amino-3-cyano-4H-pyran Derivatives, J.Mex. Chem.
Soc., 56(2), 121-127, (2012).
3. Majid M. Herav, Yahya S. Beheshtiha, Zahra Pirnia, Samaheh Sadjadi, Mina
Adibi, One-Pot, Three-Component Synthesis of 4H-Pyrans using Cu(II) Oxymetasilicate,
Synthetic Communications, 39 3663-3667, (2011).
4. Bộ Y tế vụ khoa học và đào tạo, Hợp chất hữu cơ đơn chức và đa chức 2, NXB Y
HỌC Hà Nội, (2006).
5. A. Moshtaghi Zonouz, I.Eskandari and D. Moghani, Acceleration of
Multicomponent Reaction in Aqueous Medium: Multicomponent Synthesis of a 4H-pyran
Library, Chem. Sci. Trans., 1(1), 91-102, (2012).
6. D. Kumar, V. B. Reddy, S. Sharad, U. Dube, K. A. Suman, A facile one-Pot green
synthesis and antibacterial activity of 2-amino-4H-pyrans and 2-amino-5-oxo-5,6,7,8-
tetrahydro-4H-chromenes, Eur. J. Med. Chem., 44, 3805-3809, (2009).
7. N. S. Babu, N.S. Pasha, N. Rao, K. T. V. Prasad, N. Lingaiah, A
Heterogeneousstrong basic Mg/La mixed oxide catalyst for efficient synthesis of
polyfunctionalized pyrans, Tetrahedron Lett., 49, 2730-2733, (2008).
8. Trịnh Hân, Ngụy Tuyết Nhung, Cơ sở hóa học tinh thể, NXB Đại Học Quốc gia
Hà Nội, 63–66, (2005).
9. F. Bergaya, B. K. G. Theng, G. Lagaly, Handbook of clay science, Developments
in clay science, 1, Elsevier, New York, 19–43, (2006).
10. Phạm Đức Dũng, Vũ Thành Đạt, Lê Ngọc Thạch, Điều chế một số
Montmorillonite hoạt hóa acid từ đất sét Củ Chi và áp dụng xúc tác vào chuyển hóa trọn
gói Benzaldehid thành Benzonitril, Phát triển khoa học và công nghệ, 14, 43−45, (2011).
11. Bandita Datta, M. Afzal Pasha, Silica sulfuric acid: an efficient heterogeneous
catalyst for the one-pot synthesis of 1,4-dihydropyridines under mild and solvent−free
conditions, Chinese Journal of Catalysis , 32, 1180−1184, (2011).
12. Jean Jacques Vanden Eynde, Annie Mayence, Synthesis and aromatization of
Hantzsch 1,4−dihydropyridines under microwave irradiation. An overview, Molecule, 8,
381−391, (2003).
13. , (2011).
14. Ola Karnland, Martin Birgersson, Montmorillonite stability with special respect to
KBS-3 conditions, Clay Technology, 7–10, (2006).
15. H.H Murray, Applied Clay Mineralogy Occurrences, Processing and Application
of Kaolins, Bentonites, Palygorskite–Sepiolite, and Common Clays, Elsevier’s Science &
Technology, Oxford, 12–27, (2007).
16. Çigdem Küçükselek, Invertigation of applicability of clay minerals in wastewater
treatment, Graduate of Natural and Applied Sciences, Dokul Eylül University, 9–26,
(2007).
17. David A.Laird, Influence of layer charge on swelling of smectite, Applied Clay
Science, 34, 74–86, (2006).
18. Navjeet Kaur, Dharma Kishore, Montmorillonite: an efficient, heterogeneous and
green catalyst for organic synthesis, Journal of Chemical and Pharmaceutical Research,
4, 991−993, (2012).
19.
N, (2012).
20. Ipsita Devi, Pulak J. Bhuyan, Sodium bromide catalysed one-pot synthesis of
tetrahydrobenzo[b]pyrans via a three-component cyclocondensation under microwave
irradiation and solvent free conditions, Tetrahedron Letter, 45, 8625-8627, (2004).
21. Yanqing Peng, Gonghua Song, Amino-functionalized ionic liquid as catalytically
active solvent for microwave-assisted synthesis of 4H-pyrans, 111-114, (2007).
22. H. Valizadeha, A.A. Azimi, ZnO/MgO Containing ZnO Nanoparticles as a Highly
Effective Heterogeneous Base Catalyst for the Synthesis of 4H-Pyrans and Coumarins in
[bmim]BF, J. Iran. Chem. Soc., 123-130, (2010).
23. Yanqing Peng, Gonghua Song, Feifei Huang, Tetramethylguanidine-
[bmim][BF4].An Efficient and Recyclable Catalytic System for One-Pot Synthesis of 4H-
Pyrans, Monatshefte fur Chemie, 136, 727-731, (2005).
PHỤ LỤC 1
Phổ 1H-NMR của hợp chất (4a)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4a)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4a)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4a)
Phổ 13C-NMR của hợp chất (4a)
PHỤ LỤC 2
Phổ 1H-NMR của hợp chất (4b)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4b)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4b)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4b)
PHỤ LỤC 3
Phổ 1H-NMR của hợp chất (4c)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4c)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4c)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4c)
PHỤ LỤC 4
Phổ 1H-NMR của hợp chất (4d)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4d)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4d)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4d)
PHỤ LỤC 5
Phổ 1H-NMR của hợp chất (4e)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4e)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4e)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4e)
PHỤ LỤC 6
Phổ 1H-NMR của hợp chất (4f)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4f)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4f)
Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4f)
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tvefile_2013_09_10_7822658526_0546.pdf